機床概論課件

1、第1章 機床概論1.1 金屬切削機床 1.2 機床的運動與傳動1.3 數(shù)控加工技術(shù)與設(shè)備概述1.1 金屬切削機床1.1.1 金屬切削機床及其地位和作用1.1.2 金屬切削機床發(fā)展概況1.1.3 金屬切削機床的分類與編號 1.1.1 金屬切削機床及其地位和作用 金屬切削機床簡稱機床，它是利用刀具對金屬毛坯進行切削來加工機械零件的一種工作機械。它是制造機器的機器，稱為“工作母機”或“工具機”。在現(xiàn)代化機械制造工業(yè)中，金屬切削機床是加工機器零件的主要設(shè)備。在一般的機械制造中，機床所負擔的加工工作量，約占機器制造總工作量的4060，它的技術(shù)性能高低直接影響到機械產(chǎn)品的質(zhì)量和制造經(jīng)濟性。 機械制造工業(yè)是

2、制造各種機械設(shè)備及工具的工業(yè)部門，擔負著為國民經(jīng)濟中各部門提供現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備及裝備的重要任務(wù)。一個國家要實現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化，必須具有強大的機械制造業(yè)，而機床工業(yè)則是為機械制造業(yè)提供各種制造設(shè)備的“裝備部”，是機械制造業(yè)的后盾。因此，機床工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要地位，是整個國民經(jīng)濟發(fā)展的重要推動力，也是衡量一個國家經(jīng)濟實力的標志之一。1.1.3金屬切削機床的分類與編號 按照機床的加工方式，使用的刀具及其用途，將機床分為11類：車床、鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工、銑床、刨插床、拉床、鋸床及其它機床等。 按照工藝范圍的寬窄（萬能程度），機床可分為：通用機床、專門化機床、

3、專用機床。通用機床的加工范圍較廣，可加工多種零件的不同工序。常見的有臥式車床、萬能升降臺銑床、臥式銑鏜機床等。專門化機床用于加工不同尺寸的一類或幾類零件的某一道（或幾道）特定工序，如曲軸車床、凸輪軸車床、精密絲杠車床等。專用機床是為某一特定零件的特定工序所設(shè)計的，其工藝范圍最窄。如加工機床主軸箱的專用鏜床、加工車床導(dǎo)軌的專用磨床等。各種組合機床也屬于專用機床。 按照加工精度不同，可分為：普通精度級、精密級和高精密級三種精度等級的機床。 按照自動化程度的不同，可分為：手動、機動、半自動和自動機床。 按照機床的質(zhì)量和尺寸不同，可分為：儀表機床、中型機床、大型機床(質(zhì)量達到：10t)、重型機床(質(zhì)量

4、在30t以上)、超重型機床(質(zhì)量在100t以上)。1機床的分類 機床型號是機床產(chǎn)品的代號，用以簡明地表示機床的類型、主要技術(shù)參數(shù)、性能和結(jié)構(gòu)特點等。我國的機床型號現(xiàn)在是按1997年頒布的標準GB/T16768-1997金屬機械機床型號編制方法編制的。 （1）型號表示方法 通用機床的型號由基本部分和輔助部分組成?；静糠纸y(tǒng)一管理，輔助部分由生產(chǎn)廠家自定。型號的構(gòu)成如下： 2機床型號的編制方法 其中： 1)有“( )”的代號或數(shù)字，當無內(nèi)容時則不表示，若有內(nèi)容則不帶括號； 2)有“”符號者，為大寫的漢語拼音字母； 3)有“”符號者，為阿拉伯數(shù)字； 4)有“”符號者，為大寫的漢語拼音字母，或阿拉伯數(shù)

5、字，或兩者兼有之。 （2） 機床類、組、系的劃分及其代號 為了便于區(qū)別、管理和使用機床，在國家制訂的機床型號編制方法中，機床的類代號，用大寫的漢語拼音字母表示。機床類別代號見表1-1。表1-1 普通機床類別代號 類別車床鉆床鏜床磨床齒輪加工機床螺紋加工機床特種加工機床銑床刨插床拉床鋸床其它機床代號CZTM2M3MYSDXBLGQ讀音車鉆鏜磨二磨三磨牙絲電銑刨拉割其它 每類機床劃分為10個組，每個組又劃分為10個系(系列)。在同類機床中，主要布局和使用范圍基本相同的機床，即為同一組；在同一組機床中，其主參數(shù)相同，主要結(jié)構(gòu)及布局形式相同的機床為同一系。 機床的組、系代號用兩位阿拉伯數(shù)字表示，位于類

6、代號和通用特性代號、結(jié)構(gòu)特性代號之后；機床的系，用一位阿拉伯數(shù)字表示，位于組代號之后。各類機床組的代號及劃分見表1-2。表1-2 金屬切削機床類、組劃分表 組別類別組類0123456789車床C儀表車床單軸自動車床多軸自動、半自動車床回輪、轉(zhuǎn)塔車床曲軸及凸輪軸車床立式車床落地及臥式車床仿形及多刀車床輪、軸、輥、錠及鏟齒車床其它車床鉆床Z坐標鏜鉆床深孔鉆床搖臂鉆床臺式鉆床立式鉆床臥式鉆床銑鉆床中心孔鉆床其它鉆床鏜床T深孔鏜床坐標鏜床立式鏜床臥式銑鏜床精鏜床汽車、拖拉機修理用鏜床其它鏜床磨 床M儀表磨床外圓磨床內(nèi)圓磨床砂輪機坐標磨床導(dǎo)軌磨床刀具刃磨床平面及端面磨床曲軸、凸輪軸、花鍵軸及軋輥磨床工具

7、磨床2M超精機內(nèi)圓珩磨機外圓及其它珩磨機拋光機砂帶拋光及磨削機床刀具刃磨及研磨機床可轉(zhuǎn)位刀片磨削機床研磨機其它磨床3M球軸承套圈溝磨床滾子軸承套圈滾道磨床軸承套圈超精機葉片磨削機床滾子加工機床鋼球加工機床氣門、活塞及活塞環(huán)磨削機床汽車、拖拉機修磨機床齒輪加工機床Y儀表齒輪加工機錐齒輪加工機滾齒機及銑齒機剃齒及珩齒機插齒機花鍵軸銑床齒輪磨齒機其它齒輪加工機齒輪倒角及檢查機螺紋加工機床S套絲機攻絲機螺紋銑床螺紋磨床螺紋車床銑床X儀表銑床懸臂及滑枕銑龍門銑床平面銑床仿形銑 床立式升降臺銑床臥式升降臺銑床床身銑 床工具銑床其它銑床刨插床B懸臂刨床龍門刨床插床牛頭刨床邊緣及模具刨床其它刨床拉床L側(cè)拉床臥

8、式外拉床連續(xù)拉床立式內(nèi)拉床臥式內(nèi)拉床立式外拉床鍵槽、軸瓦及螺紋拉床其它拉床鋸床G砂輪片鋸床臥式帶鋸床立式帶鋸床圓鋸床弓鋸床銼鋸床其它機床Q其它儀表機床管子加工機床木螺釘加工機刻線機切斷機多功能機床 (4) 主參數(shù)、主軸數(shù)和第二主參數(shù)的表示方法 機床主參數(shù)代表機床規(guī)格大小，用折算值表示，位于系代號之后。當折算數(shù)值大于1時，取整數(shù)，前面不加“0”，當折算數(shù)值小于1時，則以主參數(shù)值表示，并在前面加“0”。某些通用機床，當其無法用一個主參數(shù)表示時，則在型號中用設(shè)計順序號表示。 機床的主軸數(shù)應(yīng)以實際數(shù)值列入型號，置于主參數(shù)之后，用乘號“”分開。主軸數(shù)是必須表示的。 第二主參數(shù)(多軸機床的主軸數(shù)除外)一般

9、不予表示，當機床的最大工件長度、最大切削長度、工作臺面長度、最大跨距等以長度單位表示的第二主頃數(shù)的變化，將引起機床結(jié)構(gòu)、性能發(fā)生較大變化時，為了區(qū)分，可將第二主參數(shù)列入型號的后部，并用分開，讀作“乘”。凡屬長度（包括跨距、行程等）的，采用“1/100”的折算系數(shù)；凡屬直徑、深度、寬度的，則采用“1/10”的折算系數(shù)；如以厚度、模數(shù)作為第二主參數(shù)的則以實際數(shù)值列入型號。 (5) 機床的重大改進順序號 當機床的結(jié)構(gòu)、性能有更高的要求，須按新產(chǎn)品重新設(shè)計、試制和鑒定時，按照改進的先后順序用漢語拼音字母A、B、C加在基本部分的尾部，以區(qū)別原機床型號。 除了主參數(shù)和第二主參數(shù)外，還有一些反映機床性能的技

10、術(shù)參數(shù)。這些技術(shù)參數(shù)主要包括尺寸參數(shù)，運動參數(shù)及動力參數(shù)：尺寸參數(shù)反映了機床能加工零件的尺寸范圍以及與附具的聯(lián)系尺寸，例如臥式車床的頂尖距、主軸內(nèi)孔錐度，搖臂鉆床的搖臂升降距離、主軸行程等。運動參數(shù)反映了機床執(zhí)行件的運動速度，如主軸的轉(zhuǎn)速范圍、刀架或工作臺的進給量范圍等，動力參數(shù)多指電動機功率、某些機床的主軸最大允許扭矩等。 了解機床的主要技術(shù)參數(shù)，對于正確使用和合理選用機床具有重大意義。例如根據(jù)工藝要求，確定切削用量后，就應(yīng)按照機床所能提供的功率及運動參數(shù)，選擇合適的機型。又如在計夾具時，應(yīng)充分考慮機床的尺寸參數(shù)，以免夾具不能正確安裝或發(fā)生運動干涉。機床的各種主要技術(shù)參數(shù)，可從機床說明書中查

11、出。3金屬切削機床的主要技術(shù)參數(shù)1.2.1 機床運動 機床的運動按其功用不同可分為表面成形運動和輔助運動。下面以車削加工中的運動為例,介紹機床的運動,如圖1-1所示。圖1-1 表面成形運動簡圖 1表面成形運動 表面成形運動是直接參與切削過程，從而在工件上形成工件表面的刀具與工件間的相對運動。表面成形運動的形式和數(shù)量，決定了被加工表面的形狀、所采用的加工方法和刀具的結(jié)構(gòu)。表面成形運動可分為機床的主運動和機床的進給運動。 機床的主運動是實現(xiàn)切削的主要運動。它的特點是速度較高及消耗的動力較多。主運動常常是回轉(zhuǎn)運動，可以是工件回轉(zhuǎn)(如車床的主運動)，也可是刀具回轉(zhuǎn)(如鉆床、銑床、鏜床等的主運動)，常以

12、n(rmin)表示。主運動也有是直線運動的(如刨床、拉床等機床的主運動)。 機床的進給運動是實現(xiàn)切削的進給運動。它的特點是速度較低及消耗的動力較少。進給運動可由刀具完成(如圖示刀具的進給運動)，也可由工件完成(如銑床、鏜床和磨床等的進給運動)；可以是連續(xù)的(如車床的進給運動)，也可是間歇的(如刨床的進給運動)；可以是一個(如車削外圓柱表面時)，也可有幾個(如滾齒時)。個別情況沒有進給運動(如拉削時)。 2輔助運動 機床的輔助運動是指機床上除表面成形運動以外，機床上其他所需的運動。其作用是實現(xiàn)機床的各種輔助動作。 從現(xiàn)代機床控制角度來看機床運動，機床運動同樣可分為主運動、進給運動和輔助運動三大類

13、。主運動同前面的定義一樣。而進給運動則可定義為是機床主機上除主運動以外的刀具移動、工件移動和工件轉(zhuǎn)動等有關(guān)刀具和工件的機床運動。輔助運動是除主運動和進給運動以外的機床上所有的其它運動(如主軸變速、自動換刀、工件自動夾緊和工件自動交換等運動)。 3金屬切削加工 金屬切削加工是用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)把坯料或工件上多余的材料層切去成為切屑，使工件獲得相應(yīng)的幾何形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工方法。任何切削加工都必須具備三個基本條件：切削工具(常稱為刀具)、工件和切削運動。 切削運動是刀具與工件之間的相對運動，它由形成切削力的主運動、保證切削連續(xù)進行的進給運動組成。主運動和進給運動之間有準確的比

14、例關(guān)系形成的合成運動稱為合成切削運動(如車削螺紋時的兩個運動)。1.2.2 機床的傳動 1機床的基本組成 為獲得加工過程中所必需的各種運動，機床應(yīng)具備三個基本部分： 1) 執(zhí)行件 執(zhí)行件是執(zhí)行運動的部件，如主軸、刀架、工作臺等。其任務(wù)是帶動工件和刀具完成旋轉(zhuǎn)和直線運動，并保證準確的運動軌跡。 2) 動力源 動力源是為執(zhí)行件提供運動和動力的裝置，有交流異步電動機、直流電動機、步進電動機等各種電動機?？梢詭讉€運動共用一個動力源，也可每個運動單獨使用一個動力源。 3) 傳動裝置 傳動裝置是傳遞運動和動力的裝置：。通過它把動力源的動力傳遞給執(zhí)行件和把一個執(zhí)行件的運動傳遞給另一個執(zhí)行件，并使有關(guān)執(zhí)行件之

15、間保持某種確定的運動關(guān)系。傳動裝置還可以變換運動性質(zhì)、方向和速度。 機床的傳動裝置有機械、液壓、電氣、氣壓等多種形式。 2機床的傳動鏈和傳動原理圖 在機床上，為了得到所需的運動，需要通過一系列的傳動件把執(zhí)行件和動力源，或者把執(zhí)行件和執(zhí)行件連接起來，這種連接稱為傳動聯(lián)系。構(gòu)成一個傳動聯(lián)系的按一定規(guī)律排列的一系列傳動件，稱為傳動鏈。一條傳動鏈由該鏈的兩端件及兩端件之間的一系列傳動機構(gòu)所構(gòu)成。傳動鏈中通常包含兩類傳動機構(gòu)：一類是傳動比和傳動方向固定不變的傳動機構(gòu)，如定比齒輪副、蝸桿蝸輪副、絲杠和螺母副，稱為定比傳動機構(gòu)；另一類是根據(jù)加工要求可以變化傳動比和傳動方向的傳動機構(gòu)，如滑移齒輪變速機構(gòu)、變向

16、機構(gòu)等。 根據(jù)傳動聯(lián)系的性質(zhì)不同，傳動鏈(運動鏈)還可分為內(nèi)、外聯(lián)系兩種。 1) 內(nèi)聯(lián)系傳動鏈 內(nèi)聯(lián)系傳動鏈用來連接有嚴格運動關(guān)系的兩執(zhí)行件，以獲得準確的加工表面形狀及較高的加工精度。例如在臥式車床上用螺紋車刀車螺紋時，聯(lián)系主軸和刀架之間的螺紋傳動鏈，就是一條傳動比有嚴格要求的內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，它能保證并得到螺紋所需的螺距。1.2.3 傳動系統(tǒng)圖 傳動系統(tǒng)圖用規(guī)定的簡單符號表示傳動系統(tǒng)中的各傳動元件，并按照運動傳遞順序，以展開圖形式繪在一個能反映機床外形及主要部件相互位置的投影面上。用以了解及分析機床運動源與執(zhí)行件或執(zhí)行件與執(zhí)行件之間的傳動聯(lián)系及傳動結(jié)構(gòu)的一種示意圖。圖1.2所示為一臺數(shù)控銑床的傳

17、動系統(tǒng)圖。與傳動原理圖相比較，傳動原理圖僅表示機床形成某一表面所需的運動及傳動聯(lián)系，而傳動系統(tǒng)圖則表示了一臺機床所有的運動及其傳動聯(lián)系。另外，傳動系統(tǒng)圖中具體表示了各傳動鏈的傳動元件的結(jié)構(gòu)類型以及作調(diào)整計算所需的主要運動參數(shù)。 在傳動系統(tǒng)圖中各傳動元件是按照運動傳遞的先后順序，以展開圖的形式畫出來的。傳動系統(tǒng)圖中通常還需注明齒輪的齒數(shù)(有時也注明其編號和模數(shù))、帶輪直徑、絲杠的導(dǎo)程和線數(shù)、電動機的轉(zhuǎn)速和功率、傳動軸的編號等。傳動軸編號，通常是從動力源(電動機等)開始，按運動傳遞順序，順次地用羅馬數(shù)字、表示。 在閱讀傳動系統(tǒng)圖時，首先要了解該機床所具有的執(zhí)行件及其運動方式，以及執(zhí)行件之間是否 要

18、 保 持傳動聯(lián)系，然后分析從運動源至執(zhí)行件或執(zhí)行件至執(zhí)行件之間的傳動順序、傳動結(jié)構(gòu)及傳動關(guān)系。 以下對圖1-3所示傳動系統(tǒng)圖進行分析。該銑床具有兩個執(zhí)行件，即主軸和工作臺。機床工作時，主軸旋轉(zhuǎn)作主運動，工作臺作往復(fù)直線移動。 (1) 主運動 XK5040A型數(shù)控銑床的主運動由75kW/1450rmin的主電動機驅(qū)動，經(jīng)帶傳動到第軸,通過軸間的三聯(lián)滑移齒輪變速組，一軸間的三聯(lián)滑移齒輪變速組，軸間雙聯(lián)滑移齒輪變速組傳至軸，再經(jīng)軸間的一對錐齒輪圖1.2 數(shù)控銑床傳動系統(tǒng)圖副及上的一對圓柱齒輪傳至主軸，使主軸獲得18級轉(zhuǎn)速。由電動機至主軸間的傳動聯(lián)系，可簡明地用傳動路線表達式表示如下： 1.3 數(shù)控加

19、工技術(shù)與設(shè)備概述1.3.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展1.3.2 機床中有關(guān)數(shù)控的基本概念1.3.3 數(shù)控機床的組成及其各部分功能1.3.4 數(shù)控機床分類1.3.5 數(shù)控機床的規(guī)格、性能和可靠性指標1.3.6 數(shù)控機床的主要功能1.3.7 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢1.3.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展 最早采用數(shù)字控制技術(shù)進行機械加工的思想，是在20世紀40年代提出的。當時美國北密執(zhí)安的一個小型飛機工業(yè)承包商帕森斯公司(ParsonsCorporation)在制造飛機框架及直升飛機葉片輪廓用樣板時，利用全數(shù)字電子計算機對葉片輪廓的加工路徑進行了數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具半徑對加工路徑的影響，使加工精度達到0.038

20、1mm(0.0015英寸)。以當時的水平來看，是相當高的。 1952年，美國麻省理工學(xué)院研制出一套試驗性數(shù)字控制系統(tǒng)，并把它裝在一臺立式銑床上，成功地實現(xiàn)了同時控制三軸的運動。這臺數(shù)控機床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機床，是數(shù)控機床的第一代。但是這臺機床畢竟是一臺試驗性的機床，到了1954年11月，在帕爾森斯專利基礎(chǔ)上，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機床由美國本迪克斯公司(BendixCooperation)生產(chǎn)出來。1.3.2 機床中有關(guān)數(shù)控的基本概念 在加工設(shè)備中應(yīng)用廣泛的數(shù)字控制(數(shù)控)技術(shù)，是一種采用計算機對機械加工過程中各種控制信息進行數(shù)字化運算、處理，并通過驅(qū)動單元對機械執(zhí)行構(gòu)件進行自動化控制的

21、技術(shù)。現(xiàn)在已有大量機械設(shè)備采用了數(shù)控技術(shù)，其中應(yīng)用面最廣的就是數(shù)控加工設(shè)備(即數(shù)控機床)。下面介紹機床中的數(shù)字控制及數(shù)控技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)、計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)、開放式CNC系統(tǒng)和數(shù)控機床幾個概念的定義。 1數(shù)字控制(數(shù)控)及數(shù)控技術(shù) 一般意義上的數(shù)字控制是指用數(shù)字化信息對過程進行的控制，是相對模擬控制而言的。機床中的數(shù)字控制專指用數(shù)字化信號對機床的工作過程進行的可編程自動控制，簡稱為數(shù)控(NC)。這種用數(shù)字化信息進行自動控制的技術(shù)就叫數(shù)控技術(shù)。 2數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)數(shù)控技術(shù)相關(guān)功能的軟硬件模塊的有機集成系統(tǒng)，是數(shù)控技術(shù)的載體。它能自動閱讀輸入載體上事先給定的程序，并將其譯碼，從而使機床

22、按指令運動并加工零件。在其發(fā)展過程中有硬件數(shù)控系統(tǒng)和計算機數(shù)控系統(tǒng)兩類。 早期的數(shù)控系統(tǒng)主要由數(shù)控裝置、主軸驅(qū)動及進給驅(qū)動裝置等部分組成，數(shù)字信息由數(shù)字邏輯電路來處理，數(shù)控系統(tǒng)的所有功能都由硬件實現(xiàn)，故又稱為硬件數(shù)控系統(tǒng)(NC系統(tǒng))。 3計算機數(shù)控系統(tǒng) 計算機數(shù)控系統(tǒng)是以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)，由裝有數(shù)控系統(tǒng)程序的專用計算機、輸入輸出設(shè)備、可編程邏輯控制器(PLC)、存儲器、主軸驅(qū)動及進給驅(qū)動裝置等部分組成，習(xí)慣上又稱為CNC系統(tǒng)。由于計算機可完全由軟件來確定數(shù)字信息的處理過程，從而具有真正的“柔性”，并可處理各種復(fù)雜信息，所以CNC系統(tǒng)已基本取代硬件數(shù)控系統(tǒng)(NC系統(tǒng))。 4開放式CNC系統(tǒng)

23、 國際電子與電氣工程師協(xié)會提出的開放式CNC系統(tǒng)的定義是：一個開放式CNC系統(tǒng)，應(yīng)保證使開發(fā)的應(yīng)用軟件能在不同廠商提供的不同的軟硬件平臺上運行，且能與其他應(yīng)用軟件系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。 根據(jù)這一定義，開放式CNC系統(tǒng)至少有以下五個特征： (1) 對使用者是開放的：可采用先進的圖形交互方式支持下的簡易編程方法，使得數(shù)控機床的操作更加容易。 (2) 對機床制造商是開放的：應(yīng)允許機床制造商在開放式CNC系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)專用的功能模塊及用戶操作界面。 (3) 對硬件的選擇是開放的：即一個開放式CNC系統(tǒng)應(yīng)能在不同的硬件平臺上運行。 (4) 對主軸及進給驅(qū)動系統(tǒng)是開放的：即能控制不同廠商提供的主軸及進給驅(qū)動

24、系統(tǒng)。 (5) 對數(shù)據(jù)傳輸及交換等是開放的。 開放式CNC系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。 5數(shù)控機床 數(shù)控機床是指應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對其加工過程進行自動控制的機床。國際信息處理聯(lián)盟第五技術(shù)委員會對數(shù)控機床做了如下定義：數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯地處理具有特定代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。 2) 用規(guī)定的程序代碼和格式編寫零件加工程序；或用CADCAM軟件直接生成零件的加工程序。 3) 程序的輸入或傳輸。由手工編寫的程序，可以通過數(shù)控機床的操作面板輸人程序；由編程軟件生成的程序，通過計算機的串行通信接口直接傳輸?shù)綌?shù)控機床的數(shù)控單元(MCU)。 4) 將輸入傳輸?shù)綌?shù)控單元的加

25、工程序，進行試運行、刀具路徑模擬等。 5) 通過對機床的正確操作，運行程序，完成零件的加工。 數(shù)控加工的控制過程與計算機控制打印機打印過程特別是與計算機控制繪圖機繪圖過程非常相似。2、數(shù)控機床的組成及其各部分的功能數(shù)控機床主要由以下幾部分組成，如圖1-5所示。 （1）數(shù)控裝置（CNC裝置） 由CPU和存儲器組成的計算機數(shù)控裝置是計算機數(shù)控系統(tǒng)的核心。其主要作用是根據(jù)輸入的零件加工程序或操作命令進行相應(yīng)的處理，然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件（伺服單元、驅(qū)動裝置和PLC等），完成零件加工程序或操作者所要求的工件，所有這些都是在CNC裝置協(xié)調(diào)控制、合理組織下，使整個系統(tǒng)有條不紊地工作。它主要由計算

26、機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、擴展功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件等模塊組成。圖1-5 數(shù)控機床的組成 (2) 伺服單元、驅(qū)動裝置和測量裝置 伺服單元接收來自數(shù)控裝置的進給指令，經(jīng)變換和放大后通過驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)換成機床工作臺的位移運動，伺服單元是數(shù)控裝置和機床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它能將來自數(shù)控裝置的微弱指令信號，放大成控制驅(qū)動裝置的大功率信號。按不同接收指令形式伺服單元分脈沖式和模擬式，而按電源種類又可分為直流伺服單亓和交流伺服單元。 驅(qū)動裝置的作用是將放大后的指令信號轉(zhuǎn)變成機械運動，利用機械傳動件驅(qū)動工作臺移動，使工作臺按規(guī)定軌跡作嚴格的相對運動或精確定位，保證能夠加工出符合圖樣要求的零件

27、。對應(yīng)于伺服單元的驅(qū)動裝置，有步進電動機、直流伺服電動機和交流電動機等不同種類。 伺服單元和驅(qū)動裝置合稱為伺服驅(qū)動系統(tǒng)它包括主軸伺服驅(qū)動裝置、主軸電動機、進給伺服驅(qū)動裝置及進給電動機。測量裝置是指位置和速度測量裝置，它是實現(xiàn)主軸、進給速度閉環(huán)控制和進給位置閉環(huán)控制的必要裝置。數(shù)控裝置的指令主要靠伺服驅(qū)動系統(tǒng)付諸實施，所以，伺服驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。從某種意義上講，數(shù)控機床功能的強弱主要取決于數(shù)控裝置，而數(shù)控機床性能的好壞主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 （3）可編程控制器PLC、機床IO(輸入輸出)電路和裝置 數(shù)控機床的自動控制由CNC和可編程控制器PLC(Programmable Log

28、ic Controller)共同完成。其中CNC負責完成與數(shù)字運算和管理有關(guān)的功能，如編輯加工程序、插補運算、譯碼、位置伺服控制等。PLC負責完成與邏輯運算有關(guān)的各種動作，如進行與邏輯運算、順序動作有關(guān)的I0控制，它由硬件和軟件組成。機床I0電路和裝置是用于實現(xiàn)I0控制的執(zhí)行部件，是由繼電器、電磁閥、行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路。它們共同完成以下任務(wù)： 1) 接受CNC控制代碼M(輔助功能)、S(主軸轉(zhuǎn)速)、T(選刀、換刀)等順序動作信息，對其進行譯碼后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動輔助裝置完成一系列開關(guān)動作，如裝夾工件、更換刀具和開關(guān)切削液等； 2) 接受操作面板和機床側(cè)的I0信號，直接控制

29、機床動作，并將部分指令送往CNC用于加工過程的控制。 應(yīng)用于數(shù)控機床的PLC分兩類，一類是CNC生產(chǎn)廠家為實現(xiàn)數(shù)控機床順序控制，而將CNC和PLC綜合設(shè)計的內(nèi)裝型(或集成型)，這種PLC是CNC裝置的一部分；另一類是專門生產(chǎn)廠家開發(fā)的PLC系列產(chǎn)品，即獨立型(或外裝型)的PLC。 （4）控制面板 控制面板又稱操作面板，是操作人員與數(shù)控機床(系統(tǒng))進行信息交互的工具。操作人員可以通過它對數(shù)控機床(系統(tǒng))進行操作、編程、調(diào)試或?qū)C床參數(shù)進行設(shè)定和修改，也可以通過它了解或查詢數(shù)控機床(系統(tǒng))的運行狀態(tài)。它是數(shù)控機床的一個輸入輸出部件，主要由按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列(功能與計算機鍵盤一樣)和顯示器等部

30、分組成。 （5）控制介質(zhì)與程序輸入輸出設(shè)備 控制介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介，是人與機床建立聯(lián)系的介質(zhì)。程序輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進行信息交互的裝置，其作用是將記錄在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)，或?qū)⒁颜{(diào)試好的零件加工程序通過輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的介質(zhì)上。目前數(shù)控機床常用的控制介質(zhì)和程序輸入輸出設(shè)備是磁盤和磁盤驅(qū)動器等。 此外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般可利用通信方式進行信息交換，這種方式是實現(xiàn)CAD(計算機輔助設(shè)計)CAM(計算機輔助制造)的集成、FMS(柔性制造系統(tǒng))和CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))的基本技術(shù)。目前在數(shù)控機床上常用的通信方式有： (1) 串行通信； (2)

31、自動控制專用接口； (3) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 (4) 機床本體 數(shù)控機床的本體指其機械結(jié)構(gòu)實體。它是數(shù)控系統(tǒng)的控制對象，是實現(xiàn)加工零件的執(zhí)行部件。它主要由主運動部件(主軸、主運動傳動機構(gòu))、進給運動部件(工作臺、拖板及相應(yīng)的傳動機構(gòu))、支承件(立柱、床身等)以及特殊裝置、自動工件交換(APC)系統(tǒng)、自動刀具交換(ATC)系統(tǒng)和輔助裝置(如冷卻、潤滑、排屑、轉(zhuǎn)位和夾緊裝置等)組成。它不僅要實現(xiàn)由數(shù)控裝置控制的各種運動，而且還要承受包括切削力在內(nèi)的各種作用力，因此機床本體必須保證有良好的幾何精度、足夠的剛度、小的熱變形、低的摩擦阻力，才能有效地保證數(shù)控機床的加工精度。1.3.4 數(shù)控機床分類 數(shù)控機床的

32、種類很多，從不同角度對其進行考查，就有不同的分類方法，主要分類如下： 1按工藝用途（機床類型）分類 (1) 切削加工類 即具有切削加工功能的數(shù)控機床。如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控刨插機床、數(shù)控齒輪加工機床、數(shù)控螺紋加工機床、數(shù)控電加工及超聲波加工機床、數(shù)控磨床、數(shù)控割斷機床及數(shù)控其它機床等。目前，國內(nèi)外開發(fā)的新品種特別多，分得越來越細。如在數(shù)控磨床中不僅有數(shù)控外圓磨床，數(shù)控內(nèi)圓磨床，集可磨外圓、內(nèi)圓于一機的數(shù)控萬能磨床，數(shù)控平面磨床，數(shù)控坐標磨床，數(shù)控工具磨床，數(shù)控無心磨床，數(shù)控齒輪磨床，還有專用或?qū)ｉT化的數(shù)控軸承磨床、數(shù)控外螺紋磨床、數(shù)控內(nèi)螺紋磨床、數(shù)控雙端面磨床、數(shù)控凸輪

33、軸磨床、數(shù)控曲軸磨床、能自動換砂輪的數(shù)控導(dǎo)軌磨床(又稱導(dǎo)軌磨削中心)等等；還有工藝范圍更寬的車削中心、加工中心、柔性制造單元(FMC)等。 (2) 成形加工類 此類是指具有通過物理方法改變工件形狀功能的數(shù)控機床，如數(shù)控折彎機、數(shù)控沖床、數(shù)控壓力機等。 (3) 特種加工類 此類是指具有特種加工功能的數(shù)控機床，如數(shù)控電火花線切割機床、數(shù)控電火花成形機床、帶有自動換電極功能的“電加工中心”、數(shù)控激光切割機床、數(shù)控激光熱處理機床、數(shù)控激光板料成形機床、數(shù)控等離子切割機等。 (4) 其他類型 是指一些廣義上的數(shù)控設(shè)備，如數(shù)控裝配機、數(shù)控測量機、機器人等 2按進給伺服系統(tǒng)類型分類 按數(shù)控系統(tǒng)的進給伺服系統(tǒng)

34、有無位置測量反饋裝置可分為開環(huán)數(shù)控機床和閉環(huán)數(shù)控機床。在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，根據(jù)位置測量裝置安裝的位置又可分為全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種。 (1) 開環(huán)數(shù)控機床 開環(huán)數(shù)控機床采用開環(huán)進給伺服系統(tǒng)。圖1-6所示為開環(huán)進給伺服系統(tǒng)簡圖。開環(huán)進給伺服系統(tǒng)沒有位置測量反饋裝置，信號流是單向的(數(shù)控裝置進給系統(tǒng))，故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。但由于無圖1-6 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖位置反饋，精度(相對閉環(huán)系統(tǒng))不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。該系統(tǒng)一般以步進電動機作為伺服驅(qū)動元件，它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。 （2）

35、半閉環(huán)數(shù)控機床 半閉環(huán)數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)如圖1-7所示。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測點是從驅(qū)動電動機(常用交、直流伺服電動機)或絲杠端引出，通過檢測電動機和絲杠旋轉(zhuǎn)角度來間接檢測工作臺的位移量，而不是直接檢測工作臺的實際位置。 圖1-7 半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于在半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，可獲得較穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。另外，在位置環(huán)內(nèi)各組成環(huán)節(jié)的誤差可得到某種程度的糾正，位置環(huán)外不能直接消除的如絲杠螺距誤差、齒輪間隙引起的運動誤差等，可通過軟件補償這類誤差來提高運動精度，因此在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應(yīng)用 (3) 閉環(huán)數(shù)控機床 閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)

36、的位置檢測元件如圖1-8所示，它直接對工作臺的實際位置進行檢測。理論上講，可以消圖1-8 全閉環(huán)控制系統(tǒng)消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量，具有很高的位置控制精度。但由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，很容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都有相當?shù)碾y度，對其組成環(huán)節(jié)的精度、剛性和動態(tài)特性等都有較高的要求，價格昂貴。這類系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。 3按數(shù)控系統(tǒng)分類 按數(shù)控系統(tǒng)的功能分類，可分為：經(jīng)濟型數(shù)控機床、中檔數(shù)控機床和高檔數(shù)控機床。 4按數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)動軸數(shù)分類，可分為：2坐標數(shù)控機床、3

37、坐標數(shù)控機床和多坐標數(shù)控機床。 5按數(shù)控系統(tǒng)控制的刀具軌跡分類，可分為：點位控制數(shù)控機床、點位直線控制數(shù)控機床和輪廓控制數(shù)控機床。1.3.5 數(shù)控機床的規(guī)格、性能和可靠性指標 1規(guī)格指標 規(guī)格指標是指數(shù)控機床的基本能力指標，主要有以下幾方面： (1) 行程范圍和擺角范圍 行程范圍是指坐標軸可控的運動區(qū)間，它反映該機床允許的加工空間，一般情況下工件輪廓尺寸應(yīng)在加工空間的范圍之內(nèi)。擺角范圍是指擺角坐標軸可控的擺角區(qū)間，也反映該機床的加工空間。 (2) 工作臺面尺寸 它反映該機床安裝工件的最大范圍，通常應(yīng)選擇比最大加工工件稍大一點的面積，這是因為要預(yù)留夾具所需的空間。 (3) 承載能力 它反映該機床

38、能加工零件的最大重量。 (4) 主軸功率和進給軸扭矩 它反映該機床的加工能力，同時也可間接反映機床的剛度和強度。 (5) 控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù) 數(shù)控機床的控制軸數(shù)通常是指機床數(shù)控裝置能夠控制的進給軸數(shù)。數(shù)控機床控制軸數(shù)與數(shù)控裝置的運算處理能力、運算速度及內(nèi)存容量等有關(guān)。聯(lián)動軸數(shù)是指數(shù)控機床同時控制多個進給軸，使它們按規(guī)定的路線和進給速度運動的進給軸的數(shù)目。它反映數(shù)控機床的曲面加工能力。 (6) 刀具系統(tǒng) 數(shù)控車床包括刀架工位數(shù)、工具孔直徑、刀桿尺寸、換刀時間、重復(fù)定位精度各項內(nèi)容。加工中心刀庫容量與換刀時間直接影響其生產(chǎn)率，通常中小型加工中心的刀庫容量為1660把，大型加工中心可達100把以上。

39、換刀速度和工作臺交換速度，它們也是影響生產(chǎn)效率的性能指標。換刀時間是指自動換刀系統(tǒng)，將主軸上的刀具與刀庫刀具進行交換所需要的時間，換刀一般可在520s的時間內(nèi)完成。 2性能指標 (1) 分辨率與脈沖當量 分辨率是指兩個相鄰的分散細節(jié)之間可以分辨的最小間隔。對測量系統(tǒng)而言，分辨率是可以測量的最小增量；對控制系統(tǒng)而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。數(shù)控裝置每發(fā)出一個脈沖信號，反映到機床移動部件上的移動量，通常稱為脈沖當量。脈沖當量是設(shè)計數(shù)控機床的原始數(shù)據(jù)之一，其數(shù)值的大小決定數(shù)控機床的加工精度和表面質(zhì)量。脈沖當量越小，數(shù)控機床的加工精度和加工表面質(zhì)量越高。簡易數(shù)控機床的脈沖當量為0.01 mm，

40、普通數(shù)控機床的脈沖當量為1m，精密或超精密數(shù)控機床的脈沖當量為0.1m，最精密的數(shù)控系統(tǒng)的分辨率已達0001 m。 (2) 最高主軸轉(zhuǎn)速和最大加速度 最高主軸轉(zhuǎn)速是指主軸所能達到的最高轉(zhuǎn)速，它是影響零件表面加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及刀具壽命的主要因素之一。最大加速度是反映主軸速度提速能力的性能指標，也是加工效率的重要指標。 (3) 定位精度和重復(fù)定位精度 定位精度是指數(shù)控機床工作臺或其它運動部件，實際運動位置與指令位詈的一致程度，其不一致的差量即為定位誤差。引起定位誤差的因素包括伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、進給系統(tǒng)誤差，以及運動部件導(dǎo)軌的幾何誤差等。定位誤差直接影響加工零件的尺寸精度。重復(fù)定位精度是指在相

41、同的操作方法和條件下，在完成規(guī)定操作次數(shù)過程中得到結(jié)果的一致程度。重復(fù)定位精度一般是呈正態(tài)分布的偶然性誤差，它會影響批量加工零件的一致性，是一項非常重要的性能指標。一般數(shù)控機床的定位精度為0.01mm，重復(fù)定位精度為0.005mm。 (4) 最高快移速度和最高進給速度 最高快移速度是指進給軸在非加工狀態(tài)下的最高移動速度，最高進給速度是指進給軸在加工狀態(tài)下的最高移動速度，它們也是影響零件加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及刀具壽命的主要因素。這兩個性能指標受數(shù)控裝置的運算速度、機床動態(tài)特性及工藝系統(tǒng)剛度等因素的限制。 （5）電氣 包括主電動機、伺服電動機規(guī)格型號和功率等。 （6）冷卻系統(tǒng) 包括冷卻箱容量、冷卻

42、泵輸出量等。 （7）外形尺寸 表示為長寬高。 （8）機床重量 3可靠性指標 (1) 平均無故障時間MTBF(Mean time between failures) 它是指一臺數(shù)控機床在使用中平均兩次故障間隔的時間，即數(shù)控機床在壽命范圍內(nèi)總工作時間和總故障次數(shù)之比，即 顯然，這段時間越長越好。 (2) 平均修復(fù)時間MTTR(Meantimetorestore) 它是指一臺數(shù)控機床從開始出現(xiàn)故障直到能正常工作所用的平均修復(fù)時間，即 考慮到實際系統(tǒng)出現(xiàn)故障總是難免的，故對于可維修的系統(tǒng)，總希望一旦出現(xiàn)故障，修復(fù)的時間越短越好，即希望MTYR越短越好。 (3) 平均有效度A 如果把MTBF看作設(shè)備正常

43、工作的時間，把MTTR看作設(shè)備不能工作的時間，那么正常工作時間與總時間之比稱為設(shè)備的平均有效度A，即平均有效度反映了設(shè)備提供正常使用的能力，是衡量設(shè)備可靠性的一個重要指標。1.3.6 數(shù)控機床的主要功能 1控制軸數(shù)與聯(lián)動軸數(shù) 控制軸數(shù)說明數(shù)控系統(tǒng)最多可以控制多少坐標軸，其中包括移動軸和回轉(zhuǎn)軸?；咀鴺溯S是X、Y、Z軸，當多于3個軸時，往往是X、Y、Z的平行輔助軸或回轉(zhuǎn)軸。聯(lián)動軸數(shù)是指數(shù)控系統(tǒng)按加工要求控制同時運動的坐標軸數(shù)。如某數(shù)控機床具有X、Y、Z三個坐標軸運動方向，而數(shù)控系統(tǒng)只能同時控制兩個坐標(XY、YZ、或XZ)方向的運動，則該機床的控制軸數(shù)為3軸，而聯(lián)動軸數(shù)為2軸。 2插補功能 指數(shù)

44、控機床能夠?qū)崿F(xiàn)的線型能力。如直線、圓弧、螺旋線、拋物線、正弦曲線等。機床插補功能越強，說明能夠加工的輪廓種類越多。 3進給功能 包括快速進給(空行程)、切削進給：手動連續(xù)進給、點動進給；進給率修調(diào)(倍率開關(guān))；自動加減速功能等。 4主軸功能 可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速、恒線速、定向停止及轉(zhuǎn)速修調(diào)(倍率開關(guān))。恒線速即主軸自動變速，使刀具對工件切削點的線速度保持不變。主軸定向停止即換刀、精鏜后退刀前，主軸在其周向準確定位。 5刀具功能 指刀具的自動選擇和自動換刀。 6刀具補償 包括刀具位置補償、半徑補償和長度補償功能。半徑補償如車刀的刀尖半徑、銑刀半徑的補償；長度補償如銑床、加工中心沿加工深度方向?qū)Φ毒唛L度變化的補償。 7機械誤差補償 指系統(tǒng)可自動補償機械傳動部件因間隙產(chǎn)生的誤差。 8操作功能 數(shù)控機床通常有單程序段的執(zhí)行和跳段執(zhí)行、試運行，圖形模擬、機械鎖住、暫停和急停等功能，有的還有軟鍵